考慮用戶滿意度的家庭能量管理數(shù)學模型分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u19634考慮用戶滿意度的家庭能量管理數(shù)學模型分析案例 1225691.1家用負荷設備的模型 166971.2優(yōu)化調控模型 3在物聯(lián)網和智能電網技術的背景下，提出了考慮用戶滿意度的含分布式電源的家庭能量管理系統(tǒng)調控策略，建立家庭能量管理系統(tǒng)內的各種負荷設備的模型。在考慮分布式發(fā)電設備收益的情況下，計及家庭室內溫度因素對用戶滿意度的影響，以用戶用電費用最少和滿意度最優(yōu)和優(yōu)化目標建立多目標優(yōu)化模型，選擇合適的算法進行模型求解[30]。選取合適的算例進行仿真，對算例仿真結果進行分析，驗證各個模型和模型求解方法的正確性和合理性。1.1家用負荷設備的模型家庭智能能量管理系統(tǒng)HEMS的負荷按可調度性可分為可調度負荷和不可調度負荷。不可調度負荷設備停止運行會極大地影響到電力用戶的日常生活，非特殊情況下不允許進行切斷或者進行調度?？烧{度負荷設備在一個時段內是否運行僅影響到電力用戶的用電舒適度，用電較為靈活，允許在較大時間范圍內進行調度?？烧{度負荷設備包含可中斷負荷和不可中斷負荷。（1）不可中斷負荷設備，此類負荷設備工作時對電量的需求一般是固定的，完成工作任務所需的總時間為固定值，如洗衣機、洗碗機和烤箱等。（2）可中斷負荷設備，設備的運行要求為允許工作時間范圍內達成工作任務即可，中途可多次關停和啟動，如空氣凈化器、電熱水器、電動汽車、空調等。由于不可調度設備的用電計劃不可改變，只有可調度負荷設備能參與優(yōu)化調度，本文研究中只對常見的五類可調度負荷進行建模，包含洗衣機、洗碗機、熱水器、電動汽車和空調。1.1.1參數(shù)說明（1）時間參數(shù)為方便量化用電設備的運行時間，將一天的時間分為T個時間段，假設一個時間段內的所有變量保持為固定值，每個時間段的長度設為τ，則有Tτ=24h。本文假設各用電設備的運行時間為一個時間段τ的整數(shù)倍，第t個時間段表示[(t-1)τ,tτ]。將時間段按1~T依次編號，一天的時間段劃分表示如下圖3-2所示[32]：圖4-1時間參數(shù)（2）設備參數(shù)I為不可中斷負荷的集合，通常包含洗衣機、洗碗機、烤箱等，設某個不可中斷負荷為i，則有i∈I；xit為不可中斷負荷i在t時段的用電計劃，xit∈{0,1}，在t時段負荷i在運行狀態(tài)則xitJ為可中斷負荷的集合，通常包含電動汽車、空調、熱水器等，設某個可中斷負荷為j，則有j∈J；xjt為可中斷負荷j在t時段的用電計劃，xjt∈{0,1}，在t時段負荷i在運行狀態(tài)則xj1.1.2不可中斷負荷特性分析及建模根據(jù)洗衣機、洗碗機和烤箱等不可中斷負荷在工作時不可中斷的特點可得出工作特性如下圖4-2所示：圖4-2不可中斷負荷的工作特性根據(jù)用戶對不可中斷設備的需求將不可中斷負荷i的允許工作時間范圍設置為，設編號為i的不可中斷負荷開啟時間和關停時間分別為和，根據(jù)不可中斷設備一旦開始工作必須工作到完成工作任務的工作特性，可得出不可中斷設備的數(shù)學模型如下[32]： (4-2) (4-3) (4-4) (4-5) (4-6)式中，參數(shù)是不可中斷負荷完成工作需要的時間段數(shù)量；是不可中斷負荷工作的額定功率；是第個時段不可中斷負荷的功率。1.1.3可中斷負荷特性分析及建模根據(jù)熱水器、空調等負荷可在任何時刻切除或投入的特點，得出工作特性如下圖：圖4-3可中斷負荷的工作特性根據(jù)用戶對可中斷設備的需求將可中斷負荷i的允許工作時間范圍設置為，根據(jù)可中斷負荷只要求在允許工作時間范圍內完成工作任務的工作特性，負荷需要時段可以啟動進行工作、需要在時段結束前停止工作，在允許工作時間內的任意時段，負荷的運行狀態(tài)可以發(fā)生多次變化，由此得出可中斷設備的數(shù)學模型如下[32]： (4-7) (4-8) (4-9) (4-10)式中，參數(shù)是可中斷負荷完成工作需要的時間段數(shù)；是可中斷負荷工作的額定功率；是第個時段可中斷負荷的功率，由工作狀態(tài)與額定功率相乘得到。1.2優(yōu)化調控模型本文的優(yōu)化調控策略研究針對分時電價進行，將單日24小時劃分為若干個時段，按電網負荷輕重程度收取電費，使用分時電價引導用戶錯開用電高峰期，價格敏感性用戶自發(fā)將可調度負荷從用電高峰期轉移到用電低谷期，達到移峰填谷、優(yōu)化用電方式的效果?；诜謺r電價，家庭能量管理系統(tǒng)需要綜合考慮用電需求、購電電價、光伏發(fā)電設備出力和光伏發(fā)電設備余電出售。選取電價模型為高峰電價>余電出售價格>低谷電價的峰谷平電價模型，可確定調度方法為：1）由于低谷電價最低，則將可調度負荷盡量調度至用電低谷期運行2）由于余電出售價格大于低谷電價，則應將可以在低谷電價時段運行的負荷，盡量調度到光伏發(fā)電出力最小的時段運行，購買便宜的電能使用，將低谷電價時段的光伏發(fā)電量用于出售。3）由于高峰電價大于余電出售電價，則應將需要在高峰期運行的負荷盡量調度至光伏發(fā)電設備出力最大的時段運行，盡量減少從電網購電。1.2.1用電費用最少模型家庭能量管理系統(tǒng)的主要作用就是智能調控用電負荷的用電時段，達到用電費用最少的目標，建立用電費用最少的經濟最優(yōu)模型具有重要意義。用戶的購電總功率為可中斷負荷與不可中斷設備的功率之和減去光伏發(fā)電設備的輸出功率[32]。綜上所述，可得出用戶的用電費用模型如下式： (4-11) (4-12) (4-13)其中的表達式為： (4-14)式中，表示t時段內用戶家庭從電網吸收電量的功率；是用戶在時段購電或者售電的價格；是用戶的總用電費用。當時段所有負荷消耗的功率大于光伏發(fā)電功率時，應向電網購買電能，符號為正；當時段所有負荷消耗的功率小于光伏發(fā)電功率時，應向電網出售多余電量，符號為負。在時段內所有家庭負荷的所需總功率為可中斷負荷功率和不可中斷負荷功率之和，在第時段光伏發(fā)電設備輸出功率為，在時段向電網購電的最大功率為，上述各個功率單位均為kW。表示家庭與電網進行電能交易的價格，為用戶購電電價，為余電出售的價格，對于一個固定的家庭用戶而言，購電電價和售電電價都是已知量。當時段家庭消耗的電能大于光伏出力，，當時段光伏出力過剩，需要出售余電到電網時?？傻糜秒娰M用最小的優(yōu)化模型的目標函數(shù)如下： (4-15)1.2.2用戶滿意度最優(yōu)模型家庭能量管理系統(tǒng)在優(yōu)化目標和約束條件的作用下，當電價處于較高時間段內時會切除一部分負荷或將負荷調度至其他時間段內運行，這種只考慮電價和用電費用的調度方式未考慮被切除或被調度的用電負荷對于用戶舒適度的影響，可能導致用戶用電體驗大打折扣，在一定程度上損害了用戶的利益。況且不同用戶對電價的敏感度不同，部分用戶可能自愿承擔略微高昂的用電費用換取舒適度最高的用電方式，所以還應為滿意度敏感型用戶設計滿意度最高的優(yōu)化模型。原用電計劃最符合用戶長期以來的用電習慣，用電舒適度最高，所以原用電計劃的用電滿意度達到最大。進行優(yōu)化后，負荷運行時段與原用電計劃變化越大，越偏離用戶原有的用電習慣，用電滿意度就越低；負荷運行時段與原用電計劃變化越小，越接近用戶原有的用電習慣，用電滿意度就越高。本文中用戶用電滿意度用表示，進行優(yōu)化后各可調度負荷的工作時段與原計劃差別越小,的值就越小，用戶對優(yōu)化后的用電策略的滿意度也就越高。綜上所述，可建立用戶用電方式滿意度S的模型如下式[32]： (4-16)式中，xi,t0、xj,t0分別表示優(yōu)化前時段負荷i、負荷j的用電計劃；xi,t、xj,t分別表示優(yōu)化后t時段負荷i和負荷j的用電計劃；、表示優(yōu)化前后改變的電量；λi、λj分別表示負荷、負荷的不可調度系數(shù)；m、n分別為不可中斷負荷的數(shù)量、可中斷負荷的數(shù)量。由于負荷設備完成工作任務所用電量是固定不變的，優(yōu)化后負荷運行時間段的個數(shù)應與原計劃相同，可以得到下式： (4-17) (4-18)為了衡量用戶對負荷對的依賴程度，引入不可調度系數(shù)λ(λ∈[0,1])。λ越小的負荷用電越靈活，調度優(yōu)先級越高，調度時優(yōu)先考慮；λ越大的負荷用電越不靈活，調度優(yōu)先級越低，調度時應盡量不考慮。λ=0表示該負荷設備的工作受到調度對用戶日常生活幾乎沒有影響，用電最為靈活，在允許工作時間的時間范圍內可以任意調度；λ=1表示該負荷受到調度會極大地影響到用戶的日常生活，它的工作時間應盡量貼近原用電計劃。例如，夏季天氣炎熱時，人們對空調的依賴程度很高，對熱水的需求較小，制冷空調的不可調度系數(shù)應較大，熱水器的不可調度系數(shù)就較??；反之，在天氣寒冷的冬天，用戶日常生活對熱水器的依賴性較高，制冷空調則幾乎不需要運行，熱水器的不可調度系數(shù)就較大，制冷空調的不可調度系數(shù)應較小。文獻[32]介紹了不可調度系數(shù)取值依據(jù)，以電器的不可調度能力目標，根據(jù)用戶對的使用習慣和電器特性，使用層次分析法將目標分解為多個目標或準則，不同類型電器分為若干層次，在此基礎之上進行定性和定量分析，確定的不同負荷的不可調度系數(shù)。可得用電費用最小的優(yōu)化模型的目標函數(shù)如下： (4-19)1.2.3兼顧用電費用和用戶滿意度模型本文的最終調控目標考